Abschirmung eines Spannungswandlers

Es ist ja bekannt, dass Spannungswandler durch ihre Arbeitsfrequenz Hf-Störungen verursachen. Daher habe ich meinen Eigenbau-Spannungswandler DCW523 samt Spannungsversorgung (Lithiumakku) in eine Metalldose eingebaut. Die Ausgangsspannung wird über eine Drossel 470µH und einen Durchführungskondensator (DFK) 10nF nach aussen geführt. Trotz dieser Massnahmen entstehen Empfangsstörungen in einem AM-Transistorportable wenn dieser in der Nähe (ca. 5 bis 10cm) betrieben wird. Auch das Einfügen eines 100nF Kondensators am Ausgang ändert nichts.

Was habe ich falsch gemacht? 

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Hallo Herr Heigl,

ich habe Ihre Schaltung vor einiger Zeit einmal mit einer Simulationssoftware (LTSpice) untersucht. Die Siebdrossel am Ausgang stellte sich als kritisch heraus. Je nach Wert wurde die Welligleit höher, als ohne Drossel.

Aus eigener Erfahrung mit (anderen) Wandlern kann ich sagen, dass es kaum möglich ist, _alle_ Störungen in _allen_ AM-Bereichen zu beseitigen. Ich habe einmal exakt die von Ihnen verwendete Blechdose getestet. Es funktionierte leidlich - die Platine musste bei mir für beste Störunterdrückung in der räumlichen Mitte der Dose fixiert und Masseverbindungen mit Kupferdraht verstärkt werden (kann man leicht auf das dünne Blech löten).

Das Ergebnis war brauchbar  aber mittlerweile verwende ich keine Wandler mehr für HF-Geräte - irgend wo störte es immer.

Mit freundlichen Grüßen,

Daniel Consales

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Guten Tag,
Der Ferritkern hat auch ein Streufeld, dies wird von einer in 5 oder 10 cm davorgehaltenen Ferritantenne eines Radios empfangen.

Aber das Thema Entstörung dieser Geräte wird zunehmend durch Verbreitung von Solaranlagen akuter denn je. Hier ein zielführender Artikel:

suchen nach

Entstörung eines "Balkonkraftwerks" durch Mario, DJ7UA

Sowohl auf der Netzzuleitungsseite als auch auf der Gleichspannungsseite sind Einfügefilter nötig. Aber nicht nur dieses. Die Ausgleichsströme zwischen HF-Quelle und -Senke werden nochmals über eine extra Kupferplatte, "Groundplane" geführt. Wechselrichter und Entstörmittel samt "Groundplane" werden nochmals in ein Metallschränkchen eingebaut.

Im vorliegenden Falle hat, wie auch durch Gegenversuch von Herrn Gonzales gezeigt, das Blechgehäuse selbst auch noch gestrahlt. Neben Gleich- und Gegentakt-Entstörfiltern würde eine Doppelabschirmung zusätzlich wirksam werden. Der Induktive Direktanteil ließe sich durch eine Kupferfolie, über die Trafowicklungen geführt, oder durch eine Mu-Metall-Abschirmung verkleinern.

Gruß
K.-H. B.

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Guten Tag die Herren Consales und Bradtmöller,

danke für Ihre Beiträge. Was mich verunsichert ist die Tatsache, dass Mitte der 50er Jahre einige Hybridportables mit Röhren im HF- und Zf-Teil und Transistoren im Nf-Teil gebaut wurden, jeweils mit DC-Wandler für die Anodenspannung. Das hat problemlos geklappt. In Österreich möchte ich als Beispiel den Ingelen TR56 (1956) und den Radione R25T (1957) anführen:

Die Wandler sind auch in einem Metallgehäuse untergebracht. Ob das Problem eventuell an der Arbeitsweise der Wandler liegt?
Eigentlich ist das Problem mit den Hf-Störungen fast nebensächlich, auf Mittelwelle sind keine deutschspachigen Sender empfangbar und fast jeder Haushalt ist durch diverse elektronische Geräte Hf-mässig verseucht so dass kein vernünftiger Empfang möglich ist. Auf UKW gibt es mit dem DCW523 keine Probleme.

MfG.
Gerhard Heigl

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Hallo,
Spannungswandler dieser oder ähnlicher Art waren keineswegs eine Seltenheit, auch in volltransistorisierten Geräten. Um das unten näher bezeichnete Kofferradio auf bequeme Weise rein elektronisch mit UKW/FM Stationstasten zu versehen, wurde zum Beispiel das Gerät

mit Kapazitätsdiodenabstimmung versehen. Da das Gerät aus 9 V mit Batterien gespeist wird, benötigt man für die Abstimmspannung einen "Aufwärtswandler" bis max. 33 V. Dieser hat eine für heutige Begriffe recht niedrige Arbeitsfrequenz, die auch mit dem Entladezustand der Batterien in Zusammenhang steht. So konnte gerade bei fast leeren Batterien ein Pfeifton im Lautsprecher und bei von diesem Gerät aufgenommenen Tonbandaufnahmen hörbar werden bei UKW-Stereosendungen. Es kommt hauptsächlich über die Restwelligkeit der Absimmspannung zur Mischung der Arbeitsfrequenz mit dem Stereo-Pilotton auf 19 kHz. Aber auch andere Mischprodukte mit dem UKW-Stereo-MPX-Signalgemisch sind noch möglich, die auf den Oberwellengehalt des Sperrwandlers zurückzuführen sind. Auch rein akustisch ist der Pfeifton der Spule schon ganz leise hörbar. Hier findet ein Siferritkern wie im ersten Post von Herrn Heigl Anwendung, der nicht in einem Abschirmgehäuse untergebracht ist. So viel Mühe hat man sich damals nicht gemacht. Konstruktionsmäßige Abänderungen wurden erst ab dem Produktionsdatum gemacht, als ein extern anschließbarer UKW-Stereoadapter für dieses Gerät auf den Markt kam, der ein pfeiftonfreies UKW-Stereoerlebnis unabdingbar machte.
 

Gruß
K.-H. B.

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Hallo Herr Heigl,

Die von ihnen beschriebenen Störungen nennt man EMV-Störungen.

Eine Entstörung eines solchen Wandlers ist keine einfache Sache, wie sie und die Kollegen schon beschrieben haben.

Beim Ingelen TR 56 ist der gesamte Spannungswandler in einem Gehäuse untergebracht, das mit Kupferfolie umgeben ist. Diese ist an den Stoßstellen verlötet.
Das von ihnen verwendete Gehäuse ist nicht als HF-dicht zu betrachten, weil die elektrische Kontaktierung des Deckels nicht am ganzen Umfang sichergestellt ist.
Um herauszufinden, ob die Störungen durch den kleinen Luftspalt entweichen, können sie entlang des Umfang Kupferklebeband anbringen.

Ich nehme an der TR 56 hat eine deutlich niedrigere Arbeitsfrequenz als ihr Wandler.
Das verursacht ebenfalls geringere Störungen.

Ansonsten kann man wahrscheinlich nur probieren, ob etwas hilft.
Hier ein paar Vorschläge:
- Parallel zu beiden Elkos einen keramischen Kondensator von 10 - 100 nF schalten
- Querschnittsvergrößerung der Leiterbahn zwischen Kollektor und C1 und zwischen Trafo und C1
- Veränderung des Massepunktes vom Kollektor zum Minuspol C1
- Vergrößerung der Spule L1
- Verbindung des Gehäuses mit Erdpotential

Den 100 nF Kondensator am Ausgang würde ich entfernen.
Es könnte zu einer Resonanz bei ca. 22 kHz mit der 470 µH Drossel kommen, falls die Frequenz soweit absinkt.
Alternativ könnte man den 100 nF Kondensator auf z.B. 1 µF erhöhen.

Der C4 ist ein Kondensator mit entsprechender Spannungsfestigkeit?
Eventuell gegen eine größere Bauform tauschen, zur Erhöhung der Strombelastbarkeit.

M.f.G.
Markus Müllner

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Herr Heigl sagte in Post No. 4:
"Eigentlich ist das Problem mit den Hf-Störungen fast nebensächlich, auf Mittelwelle sind keine deutschspachigen Sender empfangbar und fast jeder Haushalt ist durch diverse elektronische Geräte Hf-mässig verseucht so dass kein vernünftiger Empfang möglich ist."

Leider muss ich hier ein wenig widersprechen. Gerade in Radiogeräten neuerer Bauart sind heute serienmäßig Stepdown- oder Stepup-Wandler kompaktester Bauart serienmäßig verbaut. Diese sind im Wesentlichen dazu vorgesehen, um die für die eingebauten Prozessorbausteine notwendigen verschiedenen Versorgungsspannungen zu realisieren, vor allem, wenn Gerät mit Batterie oder Solarpanel betrieben wird.

Das Gerät reagiert bei Anschluss eines entsprechenden kleinen Solarpanels zum Aufladen des Lithium-Ionen-Akkus mit der Meldung im Display "tuner error". Damit wird signalisiert, dass der 5V auf 3,7 V Step-Down-Wandler überlastet ist und den Radiobetrieb vorsichtshalber firmwaregemäß abgeschaltet wird. Man sollte so lange warten, bis Akku ausreichend aufgeladen ist, und dann erst Radio hören. Beim Ladevorgang hört man in einem anderen direkt daneben gehaltenen Gerät auf Langwelle Pfeiftöne. Dies zeigt die Aktivität der Ladeschaltung an. Die Störaussendung ist aber auf wenige Zentimeter begrenzt, da das Layout des Gerätes auf mögliche EMV-Problematik hin genauestens optimiert wurde. 

Auch in Balkon-Leuchten mit Solarzellen und Akku findet man Step-Up-Wandler, die im Langwellenbereich schwingen, je nach Farbwechsel auf einer anderen Frequenz.
Herr Müllner hat ja korrekterweise auf die Bedeutung des Layouts von Platine und Platzierung der Bauteile etc. bereits hingewiesen.

Gruß
K.-H. B.

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Grundsätzlich kann man noch untersuchen, ob die Signalformen am Wandler "sauber" aussehen oder ob es zu unkontrollierten ("wilden") Schwingungen kommt. Falls letzeres der Fall ist, dann sollten in erster Linie diese beseitigt werden. Dann wird die Störwirkung ebenfalls reduziert.
Zur Diode kann man einen kleinen Kondensator von ca. 50 - 100 pF parallel schalten.

Zusätzlich kann man noch versuchen herauszufinden, wie sich die Störung ausbreitet.
Im Falle einer induktiven Störung (magnetisch) kann man ein Kästchen aus ferromagnetischem Blech verwenden bzw. den Bereich rund um induktive Bauteile mit einem solchen auskleiden.
Im Falle einer elektrischen Störung über die Ausgangsspannung kann man am Ausgang noch ein Filter hinzubauen. Gute Dämpfung ist nur mit räumlicher Trennung von Ein- und Ausgang zu erreichen. Die Masseführung spielt auch hier eine wichtige Rolle. Ableitung der Störungen auf einen niederohmigen Punkt (Minusanschluß C1)
Außerdem ist zu beachten, daß bei Verwendung einer Filterspule keine Einkopplung eines anderen induktiven Bauteils in diese Spule stattfindet. Streufelder werden hauptsächlich von Spulen mit Luftspalt erzeugt.

Betriebsströme sollen nicht über das Gehäuse geführt werden sondern innerhalb.

Für professionelle Ursachenuntersuchungen gibt es sogenannte Nahfeldsonden, mit denen Leitungen mit hohem Störpotential gezielt gesucht werden können.

Für magnetische Störaussendung (<30 MHz) gibt es selbst in den EMV-Normen normalerweise keine Grenzwerte. Grenzwerte werden für die Funkstörspannung auf Anschlüssen angegeben.

M.f.G.
Markus Müllner

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Zitat: »ich habe Ihre Schaltung vor einiger Zeit einmal mit einer Simulationssoftware (LTSpice) untersucht. Die Siebdrossel am Ausgang stellte sich als kritisch heraus. Je nach Wert wurde die Welligleit höher, als ohne Drossel.«

Hallo Herr Heigl, hallo Herr Consales,

meiner Meinung nach sollte die sekundäre Beschaltung modifiziert werden. Der Elko wandert hinter die Drossel, an seine bisherige Position kommt eine zweite Diode mit der Anode an Masse. Dadurch wird die Drossel zur Speicherdrossel, der Strom durch sie verläuft unter der Voraussetzung korrekter Bemessung annähernd dreieckförmig, darf jedoch nicht abreißen. Folge: Besserer Wirkungsgrad, bessere Siebung. Wenn dem Elko dann noch eine Keramikkondensator zu ca. 100 nF mit kurzen Leitungen parallel geschaltet wird, verbessert sich auch noch die EMV-Verträglichkeit.

Beste Grüße, Uwe Menrath

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Hallo Herr Menrath,

ich habe Ihren Vorschlag mal simuliert.

Bei gleicher Belastung (in der Simu ca. 21mA an 10K Last) steigt der Wirkungsgrad von ca. 61% auf ca. 65% an. Leider steigt aber auch die Restwelligkeit sehr deutlich: 29 mVss ("sinus") zu 177 mVss (Dreieck). Man müsste dann evtl. den Elko etwas erhöhen 2,2...3,3µ .

Man sollte das mal real überprüfen. Ich werde es sicher nicht tun  - lesson learned ;-)

Mit freundlichen Grüßen,

D. Consales

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Hallo Herr Menrath,

ich habe Ihren Vorschlag in die Praxis umgesetzt. Der Wirkungsgrad ist im niederen Lastbereich besser geworden, im höheren Lastbereich etwas schlechter.
Hier die Daten der Originalschaltung:

und hier die Daten der geänderten Schaltung:

C2 wurde von 4,7µ auf 22µ erhöht. Die Störstrahlung hat sich meiner Meinung nicht geändert.

Danke an die Herren Menrath und Consales.

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Hallo Herr Heigl,

mir ist noch etwas eingefallen.

Vor Jahren habe ich einen Wandler aus einem Bltzgerät so umgebaut, dass ich damit ein Röhren-Audion aus einer C-Zelle betreiben konnte. Dieser Wandler war unglaublich störfrei.

Der einzige Unterschied, den ich zu anderen meiner Versuche sehe, ist dass ich ein recht dickwandiges Abschirmgehäuse (ca. 1mm Wandstärke) verwendet habe. Es war das Gehäuse eines alten Fernseh-Antennenverstärkers. Diese Wandler hat nur gestört, wenn der Akku leer wurde (ich beziehe mich hier nur auf den MW-Bereich, andere wurden nicht getestet)

Vieleicht einen Versuch wert ?

Mit freundlichen Grüßen,

D. Consales

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